放射性的!元素钚的剖面图

作者:马克·曼奇尼|

钚
钚有两种:反应堆级和武器级。rigsbyphoto/Shutterstock

2012年8月25日,距离太阳约110亿英里(180亿公里),NASA探测器旅行者1号离开日光层大胆地去了以前没有任何物体去过的地方。旅行者1号越过这一边界,越过太阳系进入了地球星际空间这是历史上的第一次。

查看a的最下面一行(传统)周期表你会发现使宇宙探险成为可能的元素:钚。

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什么是钚?

钚在20世纪40年代首次被发现,它被用于创造性和破坏性目的。已故物理学家约翰·戈夫曼曾经被称为钚“地狱之王的元素。”语言学家可能会同意。

但首先,我们要多了解一下这个元素。钚的每个原子含有94个质子。相比之下,每小时只有92个质子每个镎原子中的原子和93。

因为这两种元素都是以古代的神和行星命名的-天王星海王星,钚也得到了同样的处理。

“钚是在1940年底由Glenn Seaborg和伯克利实验室(CA)的同事发现的,”圣母大学的化学家Peter C. Burns在一封电子邮件中说。

十年前,天文学家在海王星附近观测到一颗新的矮行星。为了纪念罗马冥界之神,它被称为“冥王星”。钚的名字来源于这个天体。

最初,Seaborg及其公司能够通过使用回旋加速器在伯克利。有了这个装置,被称为“氘”的粒子被发射到铀样品上。实验产生了少量的镎,然后通过化学反应变成钚衰变过程.

这个第一个可称重钚样品1942年8月20日在芝加哥大学创建。到那时,一些当事方已经认识到该部队的军事潜力。

钚原子总是带有94个质子中子计数可以变化,化学家称这些变化为“同位素“铀也有同位素。其中一个叫做铀-235(U-235),很快被确定为原子弹的潜在燃料来源。在发现钚后不久,钚作为核武器的另一种动力进入了讨论。原子时代即将开始。

如今,就所有实际用途而言,钚有两种:反应堆级和武器级。钚是“胖子”背后的关键成分,“胖子”是1945年摧毁日本长崎的一枚核弹,造成了无数人死亡成千上万的人有效地结束了第二次世界大战。

三一爆炸
爆炸16毫秒后的Trinity爆炸是地球上第一次核爆炸,它的核心是钚。
洛斯阿拉莫斯国家实验室

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钚和武器

钚用于军事目的从钚生产反应堆中经过两到三个月辐照的铀燃料中回收。它需要大约22磅(10公斤)的近纯钚-239同位素(钚-239)制造一枚炸弹。根据该报告,这种炸弹需要核反应堆运行30兆瓦年,不断更换燃料,并对“热”燃料进行再处理世界核协会这就是为什么“武器级”钚是在特殊反应堆中制造的,这种反应堆可以提高钚的高同位素浓度。

第一颗原子弹爆炸地球上发生了1945年7月16日。那是在新墨西哥州,它的强度足以让100英里(160公里)外的人感觉得到。这是曼哈顿计划最高机密的一部分”三一核试验在阿拉莫戈多轰炸靶场。该装置的核心是钚;这次试验没有部署任何以铀为基础的核武器。

随后,美国于1945年8月6日在日本广岛市上空投下了一枚U-235核弹。三天后,美国在长崎投下了第二枚绰号为“胖子”的核弹。就像当年夏天在新墨西哥州试验的武器一样,长崎核弹依赖钚。

美国能源部的报告称:“[它]永远无法确定长崎原子弹袭击造成多少人死亡。”官方网站. 根据他们的最佳估计,“最初有40000人死亡,另有60000人受伤。”在未来的几个月和几年里,最终的死亡总数可能会上升到140000或更多。这个平和公园每年八月都会举办一年一度的纪念仪式来纪念他们。

如今,武器级钚库存的最大问题是如何处理。据估计,美国目前拥有96.6吨(87.7公吨)钚——以及储存问题。目前大部分储存在南卡罗来纳州萨凡纳河遗址的一栋建筑中。

钚
马尔姆斯特罗姆空军基地导弹维修队在蒙大拿州导弹基地拆除洲际弹道导弹(ICBM)的上部。该部分是随机挑选的,于8月在加利福尼亚州范登堡空军基地进行试射。
美国空军飞行员约翰·帕里摄

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钚与动力

如今,超过三分之一的能源来自核电站来自钚但是,美国没有任何依赖钚作为能源的设施。

核反应堆中最常见的钚同位素是钚-239,它是由贫铀(U-238)的中子俘获产生的。当钚-239裂变时,其能量相当于浓缩铀(U-235),浓缩铀也用于核反应堆核武器.

从历史上看,另一种钚同位素Pu-238曾在某些地区用于为电池供电商用心脏起搏器. 随着锂动力替代品进入市场,这些医疗设备已经过时。

但在最后的前沿,钚仍然是一种有价值的商品。

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钚与深空

伯恩斯说:“钚最重要、鲜为人知的用途是在太空探索期间发电。钚-238在经历放射性衰变时会释放大量热量,这些热量可用于热电发电机发电。”

Pu-238具有许多构成同位素的性质非常吸引人首先,yabo你不需要太多的能量来产生大量的热量,然后这些热量可以转化为电能。

还有一个半衰期,一个度量单位,告诉你一个给定的放射性同位素中的一半原子衰变并转化为其他物质需要多长时间。Pu-238具有88年的可观半衰期,可使漫游者和太空探测器连续运行数十年。

远离太阳,在恒星光线微弱的地方,太阳能卫星与此同时,依靠阳光的火星漫游者(比如现在已经不存在的机遇号漫游者)不得不应对气候变化暴风雨过后的沙尘这可能会窒息电池板,妨碍电池功能。

由于这些原因,Pu-238非常适合火星和深空探测至少30艘美国太空船. 这个毅力漫游者2021年2月降落在这颗红色星球上的卫星发电机以Pu-238为燃料,也是如此遥远的宇宙飞船喜欢旅行者1号和旅行者2号,它们一直在游览太阳系(及以外)自1977年以来。

旅行者1号和旅行者2号
这幅插图显示了美国宇航局的旅行者1号和旅行者2号探测器在日光层外的位置,日光层是太阳产生的一个保护性气泡,远远超过冥王星的轨道。这两个探测器都由钚提供动力。
NASA/JPL加州理工学院

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钚与毒性

钚是放射性的,尽管你可能永远不会接触到它。卡内基科学研究所的罗伯特·M·哈森说,钚“没有天然来源”。“它必须通过增殖反应堆制造,所以地球上使用的所有钚都是人造的,”他通过电子邮件解释道。

尽管钚可以通过工业工厂或容器释放到环境中,但空气、水、土壤和食物中的钚含量极低。然而,如果你暴露在空气中,很可能是通过吸入辐射气溶胶或皮肤接触。及许多因素将确定接触是否会伤害你们,包括接触钚的量、时间和方式。

当你吸入时,一些钚将被捕获在你的肺部,并将移动到你的骨骼和肝脏。如果你通过食物吞下它,微量也会扩散到你的骨骼和肝脏。如果你接触钚,很少-如果有的话-会进入你的身体,但它会灼伤与之接触的皮肤。因此,尽管钚是一种放射性元素,但它远不是活动家拉尔夫·纳德(Ralph Nader)所说的“人类已知的最有毒物质”曾经宣布.

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